摘要：美国高中化学主流教科书《化学：概念与应用》中频频出现的“硬币实验”在实验选材与设计上独具匠心。硬币在实验中充当化学反应物、物理测量对象、实验器皿、物理模型多个角色，“硬币实验”也在经济简约、类比思维、激发兴趣、科学探究等方面发挥了多重教学功能，在实验选材、实验教学等方面对我国中学化学实验教学改革提供了有益启示。
关键词：美国教材；化学实验；教科书；硬币实验
文章编号：1005-6629(2012)8-0078-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
金属硬币是学生非常熟悉的物品，不仅被用于购买商品，也时常被作为一些活动和游戏的道具。然而，在化学教科书中，偶尔才能见到金属硬币的影子，但从未在实验中出现。而在美国高中化学主流教科书《化学：概念与应用》川中，出现了较多的“硬币实验”，对于实现化学实验的生活化具有重要启示。
1 《化学：概念与应用》中“硬币实验”的特点
《化学：概念与应用》有6个实验涉及“硬币”素材。在这六个“硬币实验”中，硬币所充当的角色不尽相同，既可作为实验器皿、物理模型，也可以作为实验试剂；不仅可以是化学反应的反应物，还可以是物理测量的对象。表1统计了“硬币实验”的主要内容及硬币所发挥的作用。
透过“硬币”实验，管窥教科书编写的价值取向，不难发现：6个实验所在的章节标题学科线索鲜明，但主题的主角——硬币，以及部分主题名称，却体现着“生活中的化学”的编写理念。可见《化学：概念与应用》教科书实验内容的选择较好地体现了学科中心与社会中心相融合的价值取向。
2 《化学：概念与应用》中“硬币实验”的教学功能
由表1对《化学：概念与应用》教科书中“硬币实验”的统计，不难归纳出“硬币实验”独特的教学功能：
2.1 经济简约功能
“硬币实验”利用生活中常见物品开展化学定性与定量实验，创造性地实现化学实验经济、简易、有趣的有机结合。如迷你实验“原子的平均质量”，巧妙利用硬币“代表同位素，来测一测两种硬币同位素的质量及平均质量”，在硬币(代替原子)平均质量的称量与计算的实验操作基础上，提出系列问题：所有硬币的总质量代表什么?计算一枚硬币的平均质量。这个质量与每组中硬币的平均质量相比，有何关联?为什么我们先要称出10枚硬币的质量，再除以10来获得每枚硬币的质量，而不是直接称出1枚硬币的质量?从而启发学生思考，主动深入理解平均相对原子量的由来与内涵。又如，在学习化学反应的类型时，学生已经从Cl2与NaBr、Fe与CuSO的置换反应演示实验中，认识了置换反应的定义与特征，而学生亲自体验的化学实验——探索化学变化，进行硬币(要求含有金属锌)与盐酸反应的实验，经过现象观察、数据整理、分析与讨论，形成对置换反应的感性体验与理性认识，构建对化学变化的深刻理解。
经济简约的“硬币实验”为检验化学理论提供实验事实，通过形象思维与抽象思维的结合，能有效突破理论学习的难点。
案例1 迷你实验：一枚硬币上能放多少滴水?
由于表面张力的缘故，水在许多物体表面上都会形成水珠。在这个实验里，我们要来比一比，看谁在一枚硬币上滴的水滴或洗涤液最多。
实验步骤：
(1)在实验桌上平放一枚硬币。
(2)用尖嘴滴管吸取自来水，往硬币上滴水。注意不要溢出硬币的边缘，记录水滴数。
(3)用另一支尖嘴吸管吸取老师提供的洗涤液，重复上述操作，记录液滴数。
分析与讨论：
(1)在这个实验中，哪些体现了表面张力的作用效果?
(2)水和洗涤液哪种液体的表面张力较小?为什么?
如案例1所示，在学习水的分子间作用力时，让学生进行一枚硬币上能放多少滴水的迷你实验，不仅能检验水滴的表面张力，进一步证明水分子间作用力的存在，还能通过组间比赛形成竞争机制，增加实验的趣味性。
2.2 类比思维功能
“硬币实验”是一种实践活动，是重要感性认识方法，《化学：概念与应用》教科书中部分“硬币实验”以硬币为类比“原型”，引导学生进行科学思维，化难为易，促进学生对抽象知识的理解。
案例2化学实验：放射性衰变的硬币模型
不稳定原子的原子核会自发地发生分解或衰变，放射出射线。能发生这种变化的原子即为放射性同位素。发生衰变的原子叫做母原子，由衰变产生的原子叫做子原子。在本化学实验中，头像朝上的硬币被假想为母原子，背面朝上的硬币被看做衰变后产生的子原子，你将研究放射性同位素的衰变特点，并判断它的半衰期(原子总量的一半发生衰变所需要的时间)。
问题：这种假想的放射性同位素，它的半衰期是多少?
目标：推断假想原子的衰变特点；分析数据，计算假想原子的半衰期；绘制图表，解释实验数据。
实验器材：一只鞋盒、120枚硬币(可用1角或1元的硬币)、秒表。
实验步骤：
(1)数出120枚硬币，将它们的头像全部朝上地放在鞋盒里。在类似“实验数据与现象观察”的表格中，对应于时间为“0”的位置上记120个母原子，0个子原子。
(2)将鞋盒用盖子盖好，然后用适当的力上下摇晃盒子20次，期间你的搭档将记下衰变的时间。假设之后实验的衰变时间都保持一致。
(3)打开盒子，将背面朝上的硬币从盒中取出，并数出它们的数量，记为子原子数。原来的硬币总数减去取出的硬币个数就是剩余的母原子数。将摇晃硬币花去的时间、取出的硬币个数及剩余的硬币个数全部记录在表格当中。
(4)重复4次实验步骤2和3，每次结束后都记下实验数据。每轮摇晃结束后，将时间与所有之前花去的时间相加，即可得到已经花去的总时间。
分析与讨论：
(1)绘制图表：将剩余的母原子数作为y轴，时间作为x轴，绘制曲线图。
(2)解释数据：在你操作的实验中，假想原子的半衰期是多少?请予以说明。
应用与评估：
(1)在每个半衰期中，发生衰变的假想原子所占的比例都是一样的吗?这表明半衰期的什么特点?为什么说真实原子中这种变化不会很明显?
(2)如果你有1 mol硬币(假设你有足够的时间数清楚)，经过10个半衰期后，还剩下多少个母原子?剩下的数目多吗?
(3)如果你花更长的时间来摇晃盒子，这对半衰期会产生怎样的影响?这是否表明原子的半衰期可通过改变条件进行控制?
如案例2 所示，放射性衰变的硬币模型实验以形象化的硬币模拟实验，帮助学生理解难以肉眼观察的放射性元素半衰期，体验数据测量、记录、整理、绘图、推理等过程。通过半衰期建模，学生收获的不仅是动态的半衰期知识，还从操作层面上获得了实验、观察、数据记录、绘制图表、逻辑推理等系列方法，更获得了建模思想，能有效落实“科学方法、科学思想”等目标。
2.3 激发兴趣功能
“硬币实验”能够激发学生的化学学习兴趣。在高中化学学习起始阶段的《第一章化学：关于物质的一门学科》设置的迷你实验——炼金家的梦想：把铜变成金，让学生有机会“重复炼金家所做的实验，在一定的条件下，让硬币中的铜、锌单质发生化学反应，制造出非常有趣的铜锌合金”。这个实验让学生使用熟悉的金属硬币，体验炼金家的工作，掀开炼金术的神秘面纱，无论是实验试剂的熟悉度，还是实验情境的神秘性，抑或是实验过程的身临其境，都具有明显的激发兴趣功能。
化学学习兴趣从低水平的直接兴趣到高水平的间接兴趣，依次划分为感知兴趣、操作兴趣、探究兴趣和创造兴趣。如果“硬币实验”仅仅是让学生进行实验操作，此时的兴趣水平只会停留在操作兴趣，属于低水平的直接兴趣，既不持久也不稳定，无法让学生真正领会化学学科的思想魅力。因而教科书在该实验操作后设置了“分析与讨论”：(1)实验过程中，你认为有哪些证据表明你已制得了铜和锌的合金?请给出解释。(2)你认为这种合金可能具有什么特性?(3)假如将硬币切割成两半，并用最先进的显微镜观察切面，你认为能够观察到什么?在学生正沉浸在浓厚的操作兴趣时，三个问题的设置能及时有效地营造思考氛围，启发思维，激发探究兴趣，形成更为持久、稳定的间接兴趣，提升学习动机水平。事实上，《化学：概念与应用》中的每一个化学实验、迷你实验均设置了“分析与讨论”环节(参见案例1、2)，而化学实验还设置有“应用与评估”(参见案例2)，创设了迁移与创造的学习环境，为创造兴趣的形成提供外部支持。
2.4 科学探究功能
科学从本质而言是探究的过程，因而亲历探究的过程既是学习化学的重要方式，也是化学学习的重要内容，既能形成对探究方法的认识，也能形成对科学本质的理解。“硬币实验”的探究设计，体现了引导探究学习、发展探究能力的教学功能。以“探究硬币的成分”为例，该实验设置探究问题：美国的硬币自1959年起即由铜和锌组成，但这些年来由于铜的价格提高，铜锌的比例发生了一定的变化。不同年代所铸造的硬币成分大约是多少?在此问题的驱动下开展实验操作、观察、数据测量与记录、分析与推论，在应用与评估环节还设置了系列问题，能激发学生进一步探究的欲望。
此外，“硬币实验”还渗透人文教育。如“探究硬币的成分”应用与评估环节设置的问题：做一个研究并查明为什么1943年钢币受到冲击?镀锌的目的是什么?铜的价格的提升为什么引起铸币厂改变硬币成分?能让学生从社会发展的现实中思考化学问题，领会科学与技术、社会的互动关系。
3 对我国中学化学实验教学的启示
“硬币实验”不仅让硬币展现了货币职能之外的多种价值，更实现了自身的多重教学功能。经济简约的“硬币实验”能引发化学教学认识问题，为学生认识化学科学知识、检验化学理论提供化学实验事实；还能让“科学方法、科学思想”等目标在生活物品的便利实验中落到实处；更能激发学生的化学学习兴趣，创设生动活泼的化学教学情景，引导探究学习，发展探究能力。
可见，只要化学教师具备“似生活走进化学实验、用化学实验解决社会问题”的理念，只要有善于发现的精神与创造的意识，眼药水瓶可以成为胶头滴管的乳胶头，胶囊外包装可以成为点滴板，牛皮信封可以成为半透膜，鸡蛋壳可以成为CaCO3的原料。而这些熟悉而又陌生的仪器与试剂会成为化学学习兴趣的源泉。
参考文献：
【1】【美】菲利普等著，王祖浩等译.科学发现者化学：概念与应用【M】.杭州：浙江教育出版社，2008
【2】梁慧妹，郑长龙.化学实验论【M】.南宁：广西教育出版社，1996:196